Việc hiểu rõ DCR của cuộn cảm giúp bạn lựa chọn linh kiện tốt hơn và tránh tổn hao công suất, nhiệt lượng không cần thiết cũng như hiệu suất hoạt động không ổn định của mạch. Hãy kiểm tra DCR cùng với độ tự cảm, dòng điện định mức, kích thước linh kiện và các điều kiện vận hành để lựa chọn cuộn cảm phù hợp với thiết kế của bạn.

‍

DCR trong cuộn cảm có nghĩa là gì?

DCR (Điện trở một chiều) là điện trở bên trong cuộn dây của cuộn cảm khi dòng điện một chiều (DC) chạy qua nó. Mọi cuộn cảm thực tế đều có DCR vì cuộn dây của chúng được làm từ dây dẫn điện, thường là đồng. DCR được đo bằng ôm (Ω) hoặc miliohm (mΩ) và được liệt kê trong bảng dữ liệu của cuộn cảm.

Cuộn cảm lý tưởng có điện trở bằng không, nhưng cuộn cảm thực tế luôn có một mức điện trở nhất định do dây dẫn được sử dụng để tạo thành cuộn dây. Điện trở cuộn dây này được gọi là DCR.

DCR chủ yếu phụ thuộc vào thiết kế và vật liệu cuộn dây, bao gồm:

- Chiều dài dây dẫn – Dây dẫn dài hơn làm tăng DCR.

- Đường kính dây dẫn – Dây dẫn dày hơn làm giảm DCR.

- Số vòng dây – Nhiều vòng dây hơn thường làm tăng DCR.

- Vật liệu dây dẫn – Đồng có điện trở thấp hơn nhôm.

DCR khác với độ tự cảm. Độ tự cảm (H) xác định mức độ cuộn cảm chống lại sự thay đổi của dòng điện, trong khi DCR (Ω hoặc mΩ) chỉ mô tả điện trở một chiều của cuộn dây. Cả hai đều là những thông số quan trọng được tìm thấy trong bảng dữ liệu của cuộn cảm.

Các yếu tố quyết định DCR của cuộn cảm

Đối với cuộn dây bằng đồng, DCR tại một nhiệt độ khác có thể được ước tính bằng công thức:

DCR(T)=DCR(25∘C)×[1+0.00393(T−25∘C)]

Trong đó:

- DCR(T) = DCR ước tính tại nhiệt độ đang xét

- DCR(25°C) = DCR được đo hoặc quy định tại 25°C

- T = nhiệt độ cuộn dây tính bằng °C

- 0.00393/°C = hệ số nhiệt điện trở gần đúng của đồng ở nhiệt độ phòng

Ví dụ, nếu một cuộn cảm có DCR là 0.10 Ω tại 25°C, DCR ước tính tại 100°C là:

DCR(100°C)=0,10×[1+0,00393×(100−25)]=0,1295 Ω

Do đó, DCR tăng từ 0.10 Ω lên khoảng 0.1295 Ω, tương đương khoảng 29.5%.

Lưu ý về độ chính xác: Công thức này phù hợp để ước tính thực tế đối với cuộn dây bằng đồng. Để tính toán chính xác trên dải nhiệt độ rộng, hãy sử dụng hệ số nhiệt độ và các điều kiện DCR được quy định trong bảng dữ liệu của nhà sản xuất.

DCR của cuộn cảm ảnh hưởng đến hiệu suất bộ chuyển đổi như thế nào?

DCR ảnh hưởng đến hoạt động của cuộn cảm trong bộ chuyển đổi bằng cách gây ra sụt áp, tổn hao công suất và phát nhiệt. Nó cũng có thể ảnh hưởng đến việc cảm biến dòng điện và hiệu suất ở tần số cao. Tuy nhiên, DCR cần được xem xét cùng với độ tự cảm, tần số chuyển mạch, định mức dòng điện và các điều kiện vận hành.

‍

Sụt áp

DCR tạo ra sụt áp trên cuộn dây của cuộn cảm khi dòng điện chạy qua. DCR càng cao thì sụt áp càng lớn. Sụt áp một chiều có thể được ước tính bằng công thức:

V_DCR = I_AVG × DCR

Trong đó \(I_{AVG}\) là dòng điện trung bình qua cuộn cảm.

Khả năng chịu dòng điện

DCR ảnh hưởng đến định mức dòng điện nhiệt của cuộn cảm, hay \(I_{RMS}\), vì điện trở cao hơn tạo ra nhiều nhiệt hơn khi dòng điện chạy qua. DCR thấp hơn thường được ưu tiên trong các bộ chuyển đổi dòng điện cao vì nó làm giảm tổn hao cuộn dây và độ tăng nhiệt độ.

Tuy nhiên, DCR không trực tiếp quyết định dòng điện bão hòa của cuộn cảm, hay \(I_{sat}\). Dòng điện bão hòa chủ yếu phụ thuộc vào lõi từ, số vòng dây, khe hở không khí và thiết kế tổng thể của cuộn cảm.

Đáp ứng quá độ

DCR có thể ảnh hưởng đến tổn hao và độ giảm chấn của bộ chuyển đổi, nhưng nó không phải là yếu tố chính kiểm soát đáp ứng quá độ. Vòng điều khiển của bộ chuyển đổi, độ tự cảm, tần số chuyển mạch và điện dung đầu ra có ảnh hưởng lớn hơn đến tốc độ phản hồi của mạch trước những thay đổi đột ngột của dòng tải.

Hệ số phẩm chất Q

DCR góp phần tạo nên điện trở của cuộn cảm, nhưng không nên đánh giá hệ số phẩm chất Q chỉ dựa trên DCR. Ở tần số hoạt động, cuộn cảm còn có điện trở AC do các tổn hao phụ thuộc vào tần số. Do đó, cần sử dụng điện trở AC tại tần số hoạt động khi đánh giá hệ số Q, đặc biệt trong các mạch RF, mạch cộng hưởng và mạch lọc.

Dòng điện gợn

DCR không phải là yếu tố chính quyết định dòng điện gợn của cuộn cảm. Dòng điện gợn chủ yếu phụ thuộc vào độ tự cảm, tần số chuyển mạch, điện áp đầu vào, điện áp đầu ra, chu kỳ công tác và cấu trúc liên kết của bộ chuyển đổi. DCR chủ yếu làm tăng tổn hao điện trở và có thể tạo ra một mức giảm chấn nhất định trong mạch.

Cảm biến dòng điện bằng DCR

Một số bộ chuyển đổi DC-DC sử dụng DCR của cuộn cảm để cảm biến dòng điện mà không cần bổ sung một điện trở cảm biến dòng điện riêng. Mạng cảm biến RC có thể được thiết kế dựa trên mối quan hệ:

R_S × C_S = L / DCR

Trong đó \(R_S\) và \(C_S\) là điện trở và tụ điện cảm biến, còn \(L\) là độ tự cảm.

Vì DCR tăng khi nhiệt độ cuộn dây của cuộn cảm tăng, phương pháp cảm biến dòng điện bằng DCR có thể phát sinh sai số đo theo nhiệt độ. Do đó, các thiết kế yêu cầu đo dòng điện chính xác có thể sử dụng phương pháp bù nhiệt độ.

Hiệu suất bộ điều chỉnh điện áp

DCR góp phần gây ra tổn hao dẫn điện, sụt áp và phát nhiệt trong bộ điều chỉnh điện áp. DCR quá cao có thể làm giảm hiệu suất và tăng tổn hao điện áp ở dòng điện cao. Lựa chọn DCR phù hợp giúp cải thiện hiệu suất nhiệt và hiệu suất tổng thể của bộ chuyển đổi.

Tổn hao công suất, nhiệt lượng và hiệu suất do DCR của cuộn cảm

DCR của cuộn cảm gây ra tổn hao đồng vì dòng điện chạy qua cuộn dây tạo ra nhiệt. Đối với các ứng dụng bộ chuyển đổi, tổn hao đồng cần được tính bằng dòng điện RMS của cuộn cảm và DCR tại nhiệt độ thực tế của cuộn dây, thay vì chỉ sử dụng dòng điện trung bình và DCR ở nhiệt độ phòng.

Tổn hao đồng là:

P _DCR =I _L,RMS ² ⁢R _DCR (T)

• ‍P _DCR = Tổn thất điện năng của đồng tính bằng watt‍
• I _L,RMS 2 = dòng điện cảm ứng RMS‍
• R _DCR (T) = Điện trở DC của cuộn cảm ở nhiệt độ cuộn dây

Đối với dạng sóng dòng điện có độ gợn hình tam giác, dòng điện RMS qua cuộn cảm có thể được ước tính như sau:

• I ² _L , _AVG = Dòng điện trung bình của cuộn cảm
• ΔI _L,PP = Dòng điện gợn sóng đỉnh-đỉnh

DCR đã hiệu chỉnh theo nhiệt độ của cuộn dây bằng đồng có thể được ước tính như sau:

R _DCR (T)=R _DCR (25°C) [1+0.00393(T−25)]

Khi nhiệt độ cuộn dây tăng, DCR tăng, dẫn đến tổn hao đồng cao hơn. Do đó, sử dụng dòng điện RMS và DCR đã hiệu chỉnh theo nhiệt độ sẽ cung cấp ước tính thực tế hơn về tổn hao dẫn điện của cuộn cảm trong bộ chuyển đổi chuyển mạch.

DCR so với độ tự cảm và điện trở AC

DCR, độ tự cảm và điện trở AC mô tả những đặc tính khác nhau của cuộn cảm.

DCR là điện trở của cuộn dây cuộn cảm được đo trong điều kiện dòng điện một chiều. Nó chủ yếu phụ thuộc vào vật liệu cuộn dây, kích thước dây dẫn, chiều dài cuộn dây và nhiệt độ.

Độ tự cảm mô tả khả năng tích trữ năng lượng trong từ trường và chống lại sự thay đổi của dòng điện của cuộn cảm. Độ tự cảm được đo bằng H, mH hoặc µH.

Điện trở AC là điện trở hiệu dụng tại một tần số AC hoặc tần số chuyển mạch cụ thể. Nó bao gồm các tổn hao trong cuộn dây và lõi từ phụ thuộc vào tần số, vì vậy có thể cao hơn DCR. Điện trở này cũng có thể được biểu thị bằng ESR, hay điện trở nối tiếp tương đương. ESR không chỉ giới hạn ở tụ điện.

DCR và điện trở AC không giống nhau. DCR biểu thị điện trở một chiều của cuộn dây, trong khi điện trở AC hoặc ESR biểu thị tổn hao hiệu dụng tại tần số hoạt động.

DCR của cuộn cảm thấp hơn có phải lúc nào cũng tốt hơn không?

DCR thấp hơn thường có lợi vì nó làm giảm tổn hao cuộn dây, sụt áp và nhiệt lượng. Điều này có thể cải thiện hiệu suất, đặc biệt trong các bộ chuyển đổi dòng điện cao.

Tuy nhiên, DCR thấp hơn không phải lúc nào cũng tự động tốt hơn. Chỉ nên so sánh DCR của cuộn cảm giữa các linh kiện có những đặc điểm tương tự về:

• Độ tự cảm
• Kích thước vỏ hoặc kích thước vật lý
• Định mức dòng điện RMS
• Dòng điện bão hòa và đặc tính bão hòa
• Loại lõi từ và cấu trúc
• Nhiệt độ thử nghiệm

Một linh kiện có DCR thấp hơn có thể có độ tự cảm, khả năng chịu dòng điện, hiệu suất bão hòa hoặc kích thước vỏ khác nhau, vì vậy việc chỉ so sánh DCR có thể gây hiểu nhầm.

So sánh cuộn cảm có DCR thấp và DCR cao

Cuộn cảm tốt nhất không đơn giản là cuộn cảm có DCR thấp nhất. Nó phải đáp ứng các yêu cầu về độ tự cảm, dòng điện RMS, dòng điện bão hòa, giới hạn nhiệt, kích thước vỏ và điều kiện vận hành, đồng thời duy trì DCR đủ thấp để tổn hao và độ tăng nhiệt độ nằm trong giới hạn chấp nhận được.

Cách đo điện trở một chiều của cuộn cảm

DCR của cuộn cảm có thể được đo bằng đồng hồ vạn năng kỹ thuật số, máy đo LCR hoặc phương pháp đo điện trở bốn dây. Phương pháp phù hợp chủ yếu phụ thuộc vào giá trị DCR dự kiến và độ chính xác yêu cầu.

Đo DCR bằng đồng hồ vạn năng kỹ thuật số

Đặt đồng hồ vạn năng kỹ thuật số ở chế độ đo điện trở (Ω) và nối các que đo vào hai đầu cực của cuộn cảm. Đồng hồ vạn năng thông thường phù hợp với các giá trị điện trở tương đối cao, nhưng không phù hợp để đo DCR ở mức miliohm với độ chính xác cao. Điện trở của dây đo và tiếp điểm có thể đáng kể so với giá trị DCR thực tế. Để có kết quả tốt hơn, hãy ngắt cuộn cảm khỏi mạch và kiểm tra hoặc bù điện trở dây đo trước khi đo.

Đo DCR bằng máy đo LCR

Máy đo LCR có thể đo độ tự cảm, trở kháng, điện trở AC và DCR. Để đo DCR của cuộn cảm, hãy chọn chế độ DCR hoặc điện trở một chiều chuyên dụng của máy đo. Không sử dụng chế độ đo trở kháng AC hoặc ESR để đo DCR. Các chế độ này sử dụng tín hiệu thử nghiệm AC và bao gồm những ảnh hưởng phụ thuộc vào tần số, vì vậy kết quả không biểu thị điện trở một chiều của cuộn dây. Cuộn cảm cần được cách ly khỏi các đường dẫn mạch khác, và nhiệt độ đo nên gần với nhiệt độ thử nghiệm được quy định trong bảng dữ liệu khi thực hiện so sánh trực tiếp.

Đo bằng phương pháp Kelvin bốn dây và micro-ohmmeter

Đối với các giá trị DCR rất thấp, đặc biệt trong phạm vi miliohm, hãy sử dụng phương pháp đo Kelvin bốn dây hoặc micro-ohmmeter. Phương pháp này sử dụng hai dây cấp dòng điện để đưa một dòng điện thử nghiệm đã biết qua cuộn cảm và hai dây đo điện áp riêng biệt để đo trực tiếp điện áp tại các đầu cực của cuộn cảm. Vì các dây đo điện áp hầu như không có dòng điện chạy qua, điện trở dây dẫn và điện trở tiếp xúc ảnh hưởng rất ít đến phép đo.

DCR được tính bằng công thức:

DCR = V _MEAS / I _TEST

• V _MEAS = Điện áp đo được trên cuộn cảm
• I _TEST = Dòng điện thử nghiệm được sử dụng

Đặt các điểm kết nối đo điện áp trực tiếp tại các đầu cực của cuộn cảm. Điều này giúp ngăn điện trở của dây cấp dòng điện và các điểm kết nối bị tính vào giá trị DCR đo được.

‍

So sánh kết quả đo với bảng dữ liệu

So sánh DCR đo được với giá trị trong bảng dữ liệu của nhà sản xuất trong các điều kiện thử nghiệm tương tự.

Kiểm tra xem bảng dữ liệu quy định DCR điển hình hay DCR tối đa và lưu ý nhiệt độ thử nghiệm được chỉ định. DCR tăng khi nhiệt độ cuộn dây tăng, vì vậy các phép đo được thực hiện ở những nhiệt độ khác nhau có thể không khớp trực tiếp với nhau.

Lựa chọn DCR của cuộn cảm cho bộ biến đổi Buck – Ví dụ minh họa

Xét một bộ biến đổi Buck với các điều kiện vận hành sau:

Chu kỳ công tác

Đối với bộ biến đổi Buck lý tưởng:

Dòng điện gợn đỉnh-đỉnh

Dòng điện RMS qua cuộn cảm

Đối với dòng điện gợn hình tam giác:

Dòng điện RMS được tính toán thấp hơn định mức \(I_{RMS}\) là 4.5 A của cuộn cảm.

DCR tại 80°C

Đối với cuộn dây bằng đồng:

DCR(T) =DCR _25°C [1+0.00393(T−25)]

DCR (80°C) = 35mΩ [1+0.00393(80−25)]

DCR (80°C) ≈ 42,6mΩ

Tổn hao đồng

PDCR=IRMS2×DCR

PDCR=(3,02)2(0,0426)≈0,389W

Do đó, tổn hao đồng của cuộn dây được ước tính là khoảng 0.389 W.

Sụt áp DCR

Đối với bộ biến đổi Buck, dòng điện trung bình qua cuộn cảm xấp xỉ bằng dòng điện đầu ra:

AVG  »  I _{OUT =}  3A

V _DCR =  I _AVG  x  DCR

VDCR =  (3)(0,0426) » 0,128  V

Do đó, sụt áp do DCR được ước tính là khoảng 0.128 V.

Dòng điện đỉnh qua cuộn cảm

I _L,PEAK =I _OUT +Δ/2I _L

I _L, ĐỈNH = 3 + 1,24 2

I _L , _{ĐỈNH  » 3,62 A}

Dòng điện đỉnh được tính toán thấp hơn định mức dòng điện bão hòa:

3,.62 A < 6 A